FR2849896A1 - Procede et dispositif d'exploitation d'un moteur a combustion interne - Google Patents

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Abstract

Avec le procédé pour l'exploitation d'un moteur à combustion interne comprenant au moins un catalyseur (6, 7) monté en aval du moteur à combustion interne (1), il est prévu un modèle de température du catalyseur avec une fonction de répartition dynamique prédéfinie de la température locale dans le volume de catalyseur. Le moteur à combustion interne (1) fonctionne en fonction de valeurs de cette fonction de répartition. L'invention comprend également un dispositif pour l'application du procédé.

Description

La présente invention concerne un procédé et un
dispositif pour l'exploitation d'un moteur à combustion interne, comportant une installation d'échappement avec au moins un catalyseur monté en aval du moteur à combustion 5 interne et avec un appareil de commande de moteur pour influencer les paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne.
Sur les véhicules automobiles équipés de moteurs à combustion modernes, qui présentent une plus faible 10 consommation de carburant en régime pauvre et en régime de charge stratifiée, un retraitement supplémentaire des gaz d'échappement pour la réduction des émissions d'oxyde d'azote est nécessaire pour satisfaire aux prescriptions légales en matière de gaz d'échappement. Pour résoudre ce 15 problème, on utilise de préférence des catalyseurs accumulateurs à NOx. Les moteurs à allumage commandé pouvant fonctionner en régime pauvre équipés de catalyseurs accumulateurs à NOx imposent dans le cas présent des exigences particulièrement élevées à une commande de moteur 20 pour atteindre un résultat optimum en ce qui concerne les émissions polluantes de gaz d'échappement et la consommation de carburant dans des conditions de fonctionnement les plus nombreuses possibles. Ainsi, un catalyseur accumulateur à NOx avec des gaz d'échappement 25 pauvres obtient des taux de conversion d'oxyde d'azote suffisamment élevés seulement dans une plage de températures relativement étroite. C'est pourquoi le catalyseur doit être maintenu dans une large plage de fonctionnement dans cette plage de températures, afin de 30 permettre un régime pauvre améliorant le rendement si possible sans restrictions. Si les températures des gaz d'échappement augmentent par exemple avec des vitesses du véhicule croissantes ou des charges plus élevées du moteur à combustion interne, le régime pauvre doit être abandonné 35 lorsque la température du catalyseur dépasse la limite de température supérieure. D'autre part, le régime pauvre doit être autorisé à nouveau de la façon la plus précoce possible lorsque la température du catalyseur redescend dans la plage de températures autorisée.
En régime pauvre, il s'établit des températures de gaz 5 d'échappement nettement plus faibles par rapport à un régime homogène du moteur à combustion interne pour X,=1, ce qui peut aboutir en particulier dans les phases du régime de charge faible à ce que la température du catalyseur descende au-dessous de la plage de températures autorisée, 10 raison pour laquelle également le régime pauvre doit être à nouveau abandonné. Dans le même temps, les faibles températures entraînent également une conversion plus mauvaise des autres composants d'agents polluants, en particulier des composés d'hydrocarbure HC. Une commutation 15 par exemple dans le régime stoechiométrique aboutit à ce que d'une part les températures des gaz d'échappement augmentent et la vitesse spatiale des catalyseurs baisse, ce qui entraîne une meilleure conversion des agents polluants, et d'autre part la consommation de carburant 20 augmente. Pour trouver un compromis favorable entre les variations des émissions polluantes et la consommation, il faut effectuer une coordination précise entre le régime du moteur à combustion interne et les catalyseurs qui fonctionnent dans la plage des températures dites Light25 Off".
De plus, les catalyseurs à NOx actuels présentent par rapport aux catalyseurs à trois voies une stabilité à température élevée nettement plus faible. Parallèlement à une conception protectrice vis-à-vis des températures de 30 l'installation des gaz d'échappement, il est souvent nécessaire d'avoir une stratégie pour la protection thermique des composants, afin de ne pas exploiter le système de catalyseur, même avec des états de marche très dynamiques, au-dessus de la limite de capacité de charge 35 thermique, ce qui pourrait entraîner un important vieillissement inacceptable.
Une connaissance précise de la température du catalyseur est donc avantageuse. A cet effet, on propose dans le brevet US 5 747 049 A un modèle de température pour un catalyseur accumulateur à NOx, pour lequel la 5 température est déterminée côté entrée et côté sortie du catalyseur accumulateur et la commande du moteur est influencée en conséquence. De même la publication EP 1 067 279 A2 décrit un modèle de température pour surveiller et maintenir la disponibilité opérationnelle d'un catalyseur 10 accumulateur à NOx.
Par la publication DE 198 36 955 Al, on connaît un modèle de température pour un catalyseur accumulateur à NOx, avec lequel la température est calculée séparément pour deux plages partielles et la commande du moteur est 15 influencée en conséquence. Le catalyseur accumulateur à NOx comprend donc deux catalyseurs partiels. Un régime pauvre est amorcé seulement dans les cas o les deux catalyseurs partiels se trouvent à l'intérieur d'une plage de températures autorisée.
Toutefois, des effets qui apparaissent dans le régime dynamique en raison d'une répartition de température inhomogène dans le catalyseur sont difficiles à enregistrer avec les procédés connus. Avec des moteurs à combustion interne pouvant fonctionner en régime pauvre, on respecte 25 donc une grande marge de sécurité par rapport aux températures critiques, par exemple un seuil de désorption thermique, afin d'éviter des points de rupture de NOx. En conséquence, le moteur à combustion interne doit donc fonctionner pendant des fractions de temps plus élevées que 30 nécessaire dans un régime désavantageux du point de vue de la consommation.
Dans la publication DE 100 36 942 Al, on détermine une fonction de répartition de la température d'un volume de catalyseur au moyen d'un modèle de calcul à plusieurs 35 zones. Le catalyseur est divisé ici en zones partielles le long de l'écoulement des gaz d'échappement et on détermine une répartition de température dépendante du lieu dans le catalyseur. Un modèle de température similaire est connu par exemple par la publication DE 100 38 461 Ai.
L'objectif de la présente invention est donc la 5 création d'un procédé qui permet d'exploiter une machine à combustion interne de façon avantageuse du point de vue de la consommation et avec une faible émission d'agents polluants ainsi qu'un dispositif pour l'application du procédé.
Selon l'invention, on met à disposition un modèle de température du catalyseur avec une fonction de répartition dynamique prédéfinie de la température locale dans le volume de catalyseur et le moteur à combustion interne fonctionne en fonction des valeurs de cette fonction de 15 répartition. De cette façon, on permet un contrôle amélioré de la charge thermique locale du catalyseur et on améliore l'optimisation de la consommation et des émissions du moteur à combustion interne.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, 20 la fonction de répartition est déterminée au moyen d'un modèle de calcul à plusieurs zones pour une pluralité de zones partielles du volume de catalyseur. Un état de fonctionnement du moteur à combustion interne, qui entraîne une augmentation de la température des gaz d'échappement, 25 peut être amorcé quand un nombre de zones partielles prédéfinies reste en deçà d'un niveau de température autorisé et au-dessus d'une température critique inférieure. Lorsque l'état de fonctionnement du moteur à combustion interne entraîne une réduction de la température 30 des gaz d'échappement, celui-ci peut être activé quand un nombre prédéfini de zones partielles dépasse un niveau de température autorisé en deçà d'une température critique supérieure. Au lieu d'un nombre de zones partielles, on peut avoir recours comme critère également à une somme 35 prédéfinie du volume des zones partielles.
Dans des conceptions avantageuses, on peut prendre en compte un facteur de correction concernant le vieillissement d'un catalyseur et/ou une quantité d'agents polluants stockés et/ou une conversion à escompter en 5 fonction d'une température locale et actuelle dans au moins une zone partielle et exploiter en conséquence le moteur à combustion interne L'avantage de l'invention réside dans le fait que des paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne 10 sont optimisés en ce qui concerne une conversion des agents polluants du catalyseur, un mode de fonctionnement autorisé et une protection thermique des composants. Il est par exemple possible que le moteur à combustion interne puisse déjà fonctionner à un régime pauvre lorsque seulement une 15 partie du catalyseur se trouve dans la plage de températures autorisée. Ceci signifie qu'un régime pauvre avantageux du point de vue de la consommation peut déjà être activé à un instant précoce.
On peut également terminer plus tôt des mesures 20 destinées à l'échauffement du catalyseur, par exemple après un démarrage à froid ou après une phase plus longue de ralenti ou de charge faible, ou appliquer ces mesures avec une plus faible intensité, ce qui permet des économies de carburant et charge moins le catalyseur au point de vue 25 thermique.
Les mesures destinées à la protection thermique des composants contre des températures élevées inacceptables peuvent être rendues tributaires de la fonction de répartition des températures dans le volume du catalyseur. 30 Pour le cas o des mesures de protection pour les composants doivent être mises en oeuvre, ceci permet une réduction des suppléments de sécurité, avec lesquels on doit empêcher de dépasser une température critique supérieure et de ce fait par exemple un enrichissement du 35 mélange plus tardif et/ou plus faible. Du fait du mode de fonctionnement amélioré du moteur à combustion interne et du comportement des gaz d'échappement ainsi amélioré, il est possible de réduire la teneur en métal noble d'un catalyseur par rapport aux systèmes connus si on respecte des valeurs limites d'émissions prédéfinies.
Dans les dessins annexés: la figure 1 montre un moteur à combustion interne avec une installation d'échappement associée, la figure 2 montre la courbe en fonction du temps d'une température des gaz d'échappement, une répartition de 10 la température de catalyseur dans différentes zones d'un volume de catalyseur, ainsi que la vitesse associée du véhicule.
La figure 1 montre un moteur à combustion interne 1, par exemple un moteur à allumage commandé pouvant 15 fonctionner en régime pauvre ou un moteur diesel à combustion interne avec une installation d'échappement 2 et un appareil de commande de moteur 3, de préférence pour l'exploitation d'un véhicule automobile. Le moteur à combustion interne 1 présente un certain nombre de 20 cylindres 4 (les composants correspondants ne sont repérés que par une seule référence), en aval desquels est disposé un chemin d'échappement de gaz d'échappement 5. Dans l'installation d'échappement 2 est disposé un dispositif d'épuration des gaz d'échappement avec un précatalyseur 6 25 optionnel et un catalyseur principal 7 pour la conversion des composants nocifs ou inopportuns des gaz d'échappement en autres composants. Le précatalyseur 6 est conçu de préférence comme un catalyseur à trois voies et le catalyseur principal 7 comme un catalyseur accumulateur à 30 NOx. En aval des cylindres 4 sont disposés dans les chemins des gaz d'échappement 5 des capteurs de gaz d'échappement optionnels ou des capteurs de NOx avec lesquels respectivement la concentration de NOx des gaz d'échappement guidés à travers l'installation d'échappement 35 2 du moteur à combustion interne 1 peuvent être mesurés. En amont du précatalyseur 6 est disposé un autre capteur de gaz d'échappement 8' optionnel. Dans une zone de l'installation d'échappement 2 entre le précatalyseur 6 et le catalyseur principal 7, en amont du précatalyseur 6 et en aval du catalyseur principal 7, est disposé un autre 5 capteur de gaz d'échappement 9. Un autre capteur 10 est disposé en aval du catalyseur principal 7 dans l'installation d'échappement 2. Il va de soi que, avec un dispositif structuré d'épuration de gaz d'échappement avec plusieurs parties, des capteurs peuvent être disposés en 10 amont et en aval des parties respectives.
En supplément des capteurs mentionnés, il est prévu en aval et en amont du précatalyseur 6 et en amont du catalyseur principal 7 des sondes lambda 11 et 12, ainsi que des capteurs de température 13, 13' pour déterminer la 15 température de fonctionnement des appareils catalyseurs. On comprend également qu'en remplacement ou en supplément, d'autres capteurs de température peuvent être prévus pour mesurer la température des gaz d'échappement ou la température de fonctionnement du dispositif d'épuration des 20 gaz d'échappement ou de parties de celui-ci. En particulier, on peut prévoir des capteurs de température pour détecter une répartition de température dans le volume du catalyseur principal 7 et/ou du précatalyseur 6. Pour le recyclage des gaz d'échappement, le moteur à combustion 25 interne 1 présente un système de recyclage de gaz d'échappement 15 avec une vanne contrôlable.
L'appareil de commande du moteur 3 enregistre de façon déjà connue au moyen d'autres capteurs non représentés des paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne 30 1, comme par exemple la position du papillon des gaz, le taux de recyclage des gaz d'échappement, le point d'allumage, le moment d'injection des préinjections, des injections principales et des injections ultérieures, la pression d'injection, la position du clapet tumble, la 35 pression d'admission, l'actionneur de phase de l'arbre à cames, le régime, la position de la pédale d'accélérateur, la charge, la vitesse de roulement et similaires, et peut influer éventuellement sur ces paramètres au moyen d'actionneurs (non représentés), un système de câble 14 ou similaire étant prévu pour la communication entre 5 l'appareil de commande de moteur 3 et les capteurs ou actionneurs. L'appareil de commande de moteur 3 comprend également un appareil de réglage à sondes lambda 3a pour le réglage de la concentration d'oxygène dans les gaz d'échappement ou de la valeur lambda. L'appareil de 10 commande de moteur 3 reçoit des capteurs de gaz d'échappement des signaux avec lesquels la concentration de certains composants de gaz d'échappement, comme par exemple la concentration des émissions brutes de NOx du moteur à combustion interne 1 et la concentration de NOx en amont 15 des appareils catalyseurs 6 et/ou 7 peut être calculée.
Le catalyseur accumulateur à NOx 7 fonctionne habituellement dans un cycle d'accumulation, qui comprend au moins un mode d'absorption habituellement assez long et un mode de régénération assez court. Le stockage s'effectue 20 ici avec une valeur lambda > 1, et le déstockage à un moment ultérieur avec une valeur lambda < 1 ou =1.
Comme les catalyseurs accumulateurs à NOx présentent une stabilité aux températures élevées nettement inférieure par rapport aux catalyseurs à trois voies et comme des 25 températures élevées associées à des concentrations élevées d'oxygène aboutissent à une forte accélération du vieillissement, on doit éviter une sollicitation de température élevée d'un niveau inacceptable du catalyseur principal 7. De même on doit s'efforcer de maintenir la 30 température du catalyseur dans une plage de températures autorisée au-dessus d'une température Tu critique inférieure et au-dessous d'une température To critique supérieure, afin de permettre des taux de conversion suffisants pour des oxydes d'azote.
L'invention est décrite ci-dessous en se référant au catalyseur principal 7, en particulier à un catalyseur accumulateur à NOx. Cependant, elle peut être appliquée de façon avantageuse également à d'autres types de catalyseur ainsi qu'à des systèmes de catalyseurs qui comprennent plusieurs catalyseurs.
Selon l'invention, il est prévu un modèle de température du catalyseur avec une fonction de répartition thermique prédéfinie de la température locale dans le volume de catalyseur et le moteur à combustion interne fonctionne en fonction des valeurs de cette fonction de 10 répartition. Le modèle de température est mis en oeuvre de préférence dans l'appareil de commande de moteur 3.
L'invention part des considérations suivantes. En mode de roulement réel, les catalyseurs sont rarement sollicités pendant des périodes prolongées avec une température 15 constante de gaz d'échappement. Très souvent, on est en présence de différences de températures locales assez grandes à l'intérieur du volume de catalyseur. Afin de répondre aux multiples conditions aux limites pour un fonctionnement d'un catalyseur accumulateur à NOx, il est 20 avantageux de prévoir des moyens pour déterminer des différences de températures locales dans le volume de catalyseur. Il peut s'agir de capteurs de température qui enregistrent des valeurs de température locales à l'intérieur du volume de catalyseur et les transmettent à 25 l'appareil de commande de moteur 3 ou de préférence un modèle de calcul qui tient compte des différences de températures locales et des variations dans le temps de la température. On détermine en particulier, de préférence, une fonction de répartition de la température dans le 30 volume de catalyseur suivant une direction d'écoulement principal des gaz d'échappement. Les variations de température réelles sont représentées ainsi de façon simple.
Le catalyseur 7 est de préférence subdivisé 35 spatialement en une pluralité de secteurs partiels et la température des secteurs partiels individuels est déterminée. Il en résulte une fonction de répartition de la température pour la pluralité des zones partielles. Dans le cas présent, la subdivision peut se faire en principe de façon quelconque, une subdivision dans la direction axiale, 5 en particulier le long de l'écoulement principal des gaz d'échappement à travers le catalyseur 7, étant opportune.
De la même façon, on peut procéder également à une subdivision radiale. Le nombre exact des zones partielles dépendra de la grandeur du catalyseur et/ou de la nature du 10 flux abordant la surface frontale, afin de saisir les irrégularités et/ou les gradients de température apparaissant réellement ou à escompter. Un nombre de 3 à 5 secteurs partiels est préféré. Il est possible de se baser pour différents régimes de fonctionnement du moteur à 15 combustion interne 1 à chaque fois sur un nombre différent de zones partielles du catalyseur 7.
Dans l'appareil de commande d'un moteur 3, on dépose de préférence un modèle de calcul à plusieurs zones pour le catalyseur accumulateur à NOx 7, en option également pour 20 le catalyseur 6.
La figure 2 montre pour illustration par exemple la corrélation entre une température de gaz d'échappement AT(t) en fonction du temps t, une courbe de température dans le temps Tl(t), T2(t), T3(t) dans un volume de 25 catalyseur avec une pluralité de zones partielles TI, T2, T3 dans la partie supérieure et une fonction vitesse-temps vfzg(t) spécifique dans la partie inférieure. Le catalyseur 7 est décomposé ici en trois zones partielles Tl, T2, T3, comme indiqué dans la partie supérieure. La plage de 30 températures autorisée pour un fonctionnement de catalyseur judicieux se situe entre une température critique inférieure Tu et une température critique supérieure To.
Un flux massique de gaz d'échappement aborde la face avant du catalyseur 7, ce qui est indiqué dans la partie 35 supérieure par une flèche. La direction d'écoulement principal des gaz d'échappement correspond à l'extension axiale du catalyseur 7. Un calcul comparatif avec un modèle de calcul à une zone, sur lequel le catalyseur 7 n'est pas subdivisé en plusieurs zones partielles, est dessiné dans l'image supérieure sous la forme d'une courbe en tirets.
Compte tenu de l'inertie thermique du catalyseur accumulateur à NOx 7, la température du catalyseur suit rapidement la température des gaz d'échappement AT(t), par exemple après une phase d'accélération. Il apparaît que, dans le cas présent et au moins dans une direction axiale, 10 il y a des différences de températures importantes au plan local et au niveau du temps entre les différentes zones partielles Tl, T2, T3.
Si l'on recherche un point de fonctionnement au ralenti ou un point de fonctionnement de charge faible 15 directement à la suite d'une courte phase d'accélération, il apparaît le fait que le catalyseur se situe par endroits rapidement à nouveau au-dessous de la température critique supérieure To du catalyseur 7. Avec les flux massiques de gaz d'échappement seulement faibles qui suivent alors et 20 qui s'accompagnent généralement également de faibles flux massiques de NOx, il s'établit également seulement de faibles vitesses spatiales dans le catalyseur 7. C'est pourquoi il suffit déjà pour une conversion de NOx suffisante que seule une partie du volume total du 25 catalyseur 7 se trouve à une température faible en conséquence et autorisée. Dans ce cas, il est acceptable d'autoriser un régime pauvre avantageux du point de vue de la consommation pour le moteur à combustion interne 1 déjà à un stade précoce, bien qu'une partie du catalyseur 7 se 30 trouve encore au-dessus de la température critique supérieure To.
La partie inférieure illustre une situation de conduite caractéristique. Sur la base d'une faible vitesse du véhicule vO à l'instant tO avec de faibles températures 35 de gaz d'échappement, on passe par une phase d'accélération qui aboutit à une augmentation de la température des gaz d'échappement AT(t). Ensuite, le véhicule n'est déplacé que brièvement avec une vitesse vl plus élevée jusqu'à ce qu'une phase de décélération commence juste après l'instant t2 et qu'on poursuive juste 5 avant l'instant t4 avec une vitesse v2 plus faible et constante. Lors de la phase de décélération, la température des gaz d'échappement AT(t) diminue et atteint un niveau approximativement constant lors du trajet consécutif effectué à la vitesse constante v2.
Pour le profil de conduite décrit, le comportement des températures peut être comparé comme résultat d'un modèle de calcul à une zone simple (courbe en tirets) et d'un modèle de calcul à plusieurs zones préféré (courbes en trait plein), ici un modèle de calcul à trois zones pour 15 les trois zones partielles. Le modèle de calcul à une zone est réalisé en raison de la simplicité de sorte que la température maximale du catalyseur 7 correspond à peu près à la température T2 maximale de la zone partielle du milieu T2.
La température, calculée avec le simple modèle de 20 calcul à une zone, du catalyseur 7 dépasse entre les instants t2 et t5 la température critique supérieure To de la plage de températures autorisée. Ainsi, le régime pauvre serait bloqué par l'appareil de commande de moteur 3 dans cet intervalle de temps. Dans les zones partielles 25 individuelles Tl, T2, T3 du modèle de calcul à trois zones avec les courbes de températures spécifiques Tl(t), T2(t), T3(t), la température critique supérieure à To est en revanche atteinte ou dépassée avec une temporisation. Les variations de température réelles dans le catalyseur 7 sont 30 restituées donc de façon plus précise. Ceci a dans l'exemple de réalisation la conséquence que, dans toutes les zones partielles Tl, T2, T3, la température supérieure To est certes dépassée de façon temporaire, mais jamais au même moment.
En conséquence, on peut disposer à tout instant tl-t7 d'au moins certaines zones partielles Tl, T2, T3 du catalyseur 7 ou surfaces du volume de catalyseur qui sont suffisamment appropriées pour la conversion de NOx en régime pauvre et donc utilisées de ce fait, étant donné que leur température est inférieure à la température critique 5 supérieure To dans la plage de températures autorisée au moment o la zone partielle est sollicitée avec des gaz d'échappement, comme ceci est représenté dans l'aperçu: Intervalle de temps Zone partielle avec température T < To tlt2 T2, T3 t2-t3 T3 t3-t4 Tl, T3 t4-t5 Tl t5-t6 Tl, T2 Dans tout l'intervalle de temps compris entre tl et t7, il n'est donc pas nécessaire selon l'invention de renoncer à un régime pauvre avantageux du point de vue de la consommation en raison de températures de catalyseur trop élevées.
Il en est de même pour le cas d'un refroidissement du catalyseur 7 lorsque le moteur à combustion interne 1 fonctionne par exemple pendant un temps prolongé en régime de ralenti ou en régime de faible charge et que le catalyseur 7 refroidit et descend d'après un simple modèle 20 de calcul à une zone à une température inférieure à la température critique inférieure Tu. Là aussi, il apparaît des différences de températures locales qui aboutissent à ce que côté entrée et dans la zone avant du catalyseur 7, certaines zones partielles sont refroidies déjà au-dessous 25 de la température critique inférieure Tu, alors que, dans la zone arrière du catalyseur 7, on dispose encore de zones partielles avec des températures suffisamment élevées dans la plage de températures autorisé comprises entre Tu et To.
De préférence, on autorise donc un régime pauvre du moteur à combustion interne 1 en fonction d'un certain nombre de zones partielles Tl, T2, T3 lorsqu'on peut disposer d'un nombre suffisant de zones partielles Tl, T2, 5 T3 présentant un niveau de température qui autorise une conversion de NOx en régime pauvre avec une réduction suffisante des agents polluants.
Un état de fonctionnement du moteur à combustion interne 1, qui entraîne une augmentation de la température 10 des gaz d'échappement, peut être amorcé de préférence dès qu'un nombre prédéfini de zones partielles Tl, T2, T3 est au-dessous d'un niveau de température autorisé supérieur à une température critique inférieure Tu. Un état de fonctionnement du moteur à combustion interne 1, qui 15 entraîne une réduction de la température des gaz d'échappement, peut être alors réglé de préférence dès qu'un nombre prédéfini de zones partielles Tl, T2, T3 dépasse un niveau de température autorisé inférieur à une température critique supérieure To. Le nombre nécessaire de 20 zones partielles Tl, T2, T3 peut dépendre de la grandeur du catalyseur 7, de la température des gaz d'échappement, de la conductibilité thermique et/ou de la capacité thermique du catalyseur 7, de la température locale dans les zones partielles Tl, T2, T3 du catalyseur 7 et de paramètres de 25 ce type.
L'autorisation de l'état de fonctionnement respectif peut être rendu tributaire également d'une somme des volumes des zones partielles Tl, T2, T3 disponibles avec la température souhaitée.
Sur la base du nombre calculé ou du total calculé des volumes des zones partielles Tl, T2, T3 disponibles dans une plage de températures souhaitée, on définit de préférence un flux massique de NOx et/ou un flux massique de gaz d'échappement maximal autorisé et on décide par 35 comparaison avec la valeur respective calculée dans l'appareil de commande de moteur 3 pour le point de fonctionnement actuel si le régime pauvre peut être autorisé. Comme variante, on peut exiger en fonction de la température des zones partielles TI, T2, T3 également un régime pauvre avec d'autres paramètres de fonctionnement du 5 moteur, comme par exemple l'angle d'allumage et/ou le moment d'injection ou un autre type de régime pauvre, qui présente des émissions brutes de NOx plus faibles. D'autre part, une masse incorporée actuellement dans le catalyseur accumulateur à NOx 7 d'agents polluants, par exemple du 10 NOx, peut également être prise en compte et/ou le flux massique autorisé de NOx et/ou le flux massique degaz d'échappement peut être corrigé en conséquence. De la même façon, il est possible de prendre en compte en conséquence un vieillissement du catalyseur 7 et/ou d'autres composants 15 dans l'installation d'échappement 2 et/ou des masses d'agents polluants stockées actuellement en formant par exemple des valeurs caractéristiques appropriées dans l'appareil de commande de moteur 3 qui déterminent les valeurs autorisées pour le flux massique de NOx et/ou le 20 flux massique de gaz d'échappement avec ces valeurs caractéristiques.
Il est également avantageux d'évaluer la température respective d'une zone partielle T1, T2, T3 en fonction de son influence sur la conversion des agents polluants qui 25 peut être ainsi obtenue et de former à partir de cela des facteurs de correction pour le flux massique autorisé de NOx et/ou le flux massique de gaz d'échappement. De cette façon, on peut tenir compte du fait qu'une quantité d'agents polluants pouvant être stockée, en particulier du 30 NOx n'est pas constante dans la plage de températures autorisée comprise entre Tu et To, mais présente en général un maximum.
Dans une autre application avantageuse, le procédé conforme à l'invention peut être utilisé pour réduire 35 l'émission d'agents polluants après un démarrage à froid du moteur à combustion interne 1 ou éventuellement à la suite d'une phase prolongée de ralenti ou de charge faible. Là aussi, l'invention est décrite ci-dessous à l'aide du catalyseur principal 7; mais elle peut être appliquée également à d'autres catalyseurs ou types de catalyseurs. 5 Lors des phases de fonctionnement citées, le niveau de température du catalyseur est globalement trop faible pour fournir des taux de conversion suffisamment élevés pour des phases de fonctionnement ultérieures notamment en ce qui concerne les émissions de HC. Si le moteur à combustion 10 interne fonctionne après un démarrage à froid par exemple dans une accélération avec des puissances assez élevées, les flux massiques de HC supérieurs inhérents à ces puissances et également d'autres flux massiques de gaz d'échappement aboutissent à des ruptures de traitement, 15 étant donné que l'échauffement du catalyseur 7 est temporisé par sa capacité thermique et que seule une partie des agents polluants peut être convertie. Afin cependant d'atteindre le plus vite possible ce qu'on appelle le "Light-Off" du catalyseur principal 7 et d'éviter des 20 points de rupture d'émission, on pourrait mettre en oeuvre des mesures de chauffage généralement connues pour le catalyseur 7, par exemple le retardement du point d'allumage et similaire. Ces mesures de chauffage entraînent cependant une augmentation de la consommation de 25 carburant. Comme variante, le catalyseur 7 peut cependant être chauffé également avec des moyens externes.
La conception de la mesure de chauffage concernant l'intensité et la durée dans le temps doit se faire de telle sorte que, dans le régime de conduite consécutif, on 30 n'ait pas des points de rupture d'émission d'un niveau inacceptable afin de respecter de façon sre des valeurs limites prédéfinies d'agents polluants. Pour avoir un rendement de conversion suffisamment élevé, il suffit cependant selon l'invention pour de nombreux états de 35 conduite qu'une partie seulement de la surface ou du volume du catalyseur 7 ou des catalyseurs 6, 7 dans l'installation d'échappement 2 ait atteint un niveau de température approprié, surtout avec un catalyseur récent ou assez récent. Il est donc suffisant dans une application préférée de l'invention d'appliquer une mesure de chauffage pour le 5 catalyseur 7 au moyen de l'influence du moteur à combustion interne 1 seulement jusqu'à ce qu'un degré d'échauffement souhaité soit atteint. Des inconvénients inopportuns concernant la consommation de carburant peuvent ainsi être évités.
Etant donné que le catalyseur 7 se réchauffe dans ce cas de fonctionnement de l'avant vers l'arrière le long d'un chemin d'écoulement de gaz d'échappement et en général également de l'intérieur vers l'extérieur, on dispose avec une durée croissante d'une surface de plus en plus grande 15 avec un niveau de température suffisant pour la conversion des agents polluants. Ainsi, on dispose avec une durée croissante de la mesure de chauffage d'un nombre plus grand des zones partielles Tl, T2, T3 qui présentent une puissance suffisante lors de la conversion des agents 20 polluants. La mesure de chauffage peut donc être achevée de façon prématurée, ce qui permet d'économiser du carburant.
De la même façon on peut commuter après une phase de régime pauvre de façon temporaire dans le régime dit homogène avec X = 1, afin d'élever, par les températures de 25 gaz d'échappement supérieures qui en résultent, un nombre suffisant de zones partielles Tl, T2, T3 à une température supérieure.
De préférence, on règle la longueur et/ou l'intensité d'un moyen de chauffage pour l'échauffement du catalyseur 7 30 en fonction des températures Tl(t), T2(t), T3(t) des différentes zones partielles Tl, T2, T3 du catalyseur 7.
Dans le cas le plus simple, on peut former une somme des volumes des zones partielles Tl, T2, T3 qui se situent audessus d'une température prédéfinie. Il peut s'agir par exemple d'une température critique inférieure Tu qui représente la limite de température inférieure pour une conversion suffisante d'agents polluants, par exemple une conversion de HC du catalyseur 7. D'autre part, le niveau de température dans les différentes zones partielles Tl, T2, T3 peut être évalué en fonction de l'influence sur une 5 vitesse de conversion d'un agent polluant dans le catalyseur 7. A partir de là, on peut former dans les différentes zones partielles Tl, T2, T3 un facteur d'évaluation concernant le rendement de conversion que l'on peut obtenir, de sorte que l'on peut corriger la somme 10 déterminante des volumes des zones partielles Tl, T2, T3 qui doivent être disponibles pour achever la mesure de chauffage.
De la même façon, il est possible de sélectionner en conséquence un mode de fonctionnement approprié du moteur à 15 combustion interne 1 pour garantir une surface active suffisante concernant la conversion d'agents polluants dans le catalyseur 7. En supplément, on peut prendre en compte l'influence du vieillissement par les valeurs caractéristiques, formée dans l'appareil de commande du 20 moteur 3, du vieillissement du catalyseur 7 en déterminant un nombre nécessaire ou des volumes des zones partielles Tl, T2, T3 avec une température suffisante en fonction des valeurs caractéristiques.
Si le moteur à combustion interne 1 fonctionne avec 25 une très grande puissance, il devient souvent nécessaire de limiter la température des gaz d'échappement par enrichissement du mélange afin de protéger le catalyseur 7 ou les catalyseurs 6, 7 dans l'installation d'échappement 2 contre une surcharge thermique. Etant donné que cette 30 opération entraîne une sensible augmentation aussi bien de la consommation de carburant que les émissions de polluants, cette mesure est limitée par l'invention à une plage de fonctionnement minimum indispensable du moteur à combustion interne 1. Le catalyseur 7 peut représenter ici 35 également dans le mode de conduite dynamique des températures très différentes localement. Il est donc avantageux de concevoir un enrichissement du mélange et d'exploiter le moteur à combustion interne 1 de telle sorte que le point le plus chaud dans le catalyseur 7 présente précisément une température maximale autorisée, de préfé5 rence une température critique supérieure To*. De cette façon, on obtient un compromis entre une limitation de la consommation de carburant et une limitation consécutive sur le plan thermique du vieillissement du catalyseur 7.
Contrairement à un modèle de calcul simple à une zone, 10 qui décrit la température du catalyseur de façon globale avec une seule valeur, un modèle de calcul préféré à plusieurs zones permet d'avoir une meilleure adaptation à la fonction de répartition réelle locale et temporelle de la température dans la catalyseur 7. Si on prend en compte 15 la répartition, on peut donc commencer l'enrichissement du mélange à un moment ultérieur, étant donné que les incertitudes concernant la température maximale locale sont sensiblement plus faibles. On peut renoncer en particulier à avoir recours à la température des gaz d'échappement 20 comme indicateur déterminant de la température maximale autorisée et, dans le cas d'un dépassement de cette température, mettre en oeuvre immédiatement l'enrichissement du mélange afin d'empêcher une surcharge thermique du catalyseur 7. Etant donné que la température des gaz 25 d'échappement augmente beaucoup plus rapidement que la température dans la première zone partielle du catalyseur Tl, l'enrichissement du mélange serait enclenché dès que la température des gaz d'échappement a atteint la température critique. Si l'on prend en compte la fonction de 30 répartition de la température dans le catalyseur 7, on reconnaît en revanche si la température de la zone partielle Tl la plus avancée à l'entrée du catalyseur 7 est encore inférieure à cet instant à la valeur maximale autorisée et si l'enrichissement du mélange pour la 35 limitation de la température n'est pas encore nécessaire.
En régime stationnaire, par exemple avec une vitesse du véhicule maximale, l'enrichissement du mélange est alors comparable dans les deux cas.
En cas de refroidissement, on peut procéder de façon analogue lorsque par exemple le moteur à combustion interne 1 5 fonctionne d'abord avec un régime élevé et des charges très élevées et quand on passe ensuite à une exploitation avec des régimes plus faibles ou des charges plus faibles ou même entre-temps à un mode de coupure d'alimentation poussée. Là, le catalyseur 7 se refroidit sous l'effet des 10 gaz d'échappement fraîchement arrivés.
Etant donné que le catalyseur 7 se refroidit alors dans la direction d'écoulement des gaz d'échappement de l'avant vers l'arrière, une protection thermique des composants est maintenue dans l'idéal jusqu'à ce 15 qu'également la température de la zone partielle T3 la plus en arrière à la sortie du catalyseur 7 soit descendue audessous d'une température maximale autorisée. Il s'agit de préférence d'une autre température critique supérieure To**, qui ne doit pas concider avec la première 20 température critique supérieure To*. De ce fait, l'ensemble du catalyseur 7 peut être protégé contre une surcharge thermique. En tenant compte, selon l'invention, de la fonction de répartition de la température dans le catalyseur 7, on empêche qu'une mesure de protection des 25 composants soit achevée trop tôt, étant donné que les températures maximales qui apparaissent localement et/ou par moment dans le catalyseur ne sont pas négligées.
Dans une application préférée de l'invention, on choisit donc l'enclenchement ou le désenclenchement et/ou 30 l'intensité d'un enrichissement de mélange selon la fonction de répartition de la température dans le catalyseur 7, en prenant en compte en particulier la température T1(1), T2(t), T3(t) de la zone partielle la plus chaude Tl, T2, T3. Ceci peut aboutir également à ce 35 qu'une coupure d'alimentation en poussée soit autorisée de façon retardée afin d'éviter une forte arrivée d'oxygène dans le catalyseur 7 dans le cas de températures du catalyseur d'un niveau inacceptable. Etant donné que le moment d'autorisation de la coupure d'alimentation en poussée dépend de la fonction de répartition de la 5 température du catalyseur, il est judicieux de ne donner une autorisation que dans le cas o la zone partielle T3 la plus en arrière du catalyseur 7 est également suffisamment refroidie. Globalement, ceci permet un enclenchement et un désenclenchement en fonction des besoins des mesures de 10 protection thermique des composants.
A l'aide de procédé conforme à l'invention, le catalyseur 7, ou un système de catalyseur contenu dans l'installation d'échappement 2, fonctionne de façon optimisée par le fonctionnement du moteur à combustion 15 interne. Le catalyseur 7 est utilisé de façon plus efficace. De cette façon, il est possible d'abaisser la teneur en métal noble du catalyseur 7 ou éventuellement d'autres catalyseurs.
Les véhicules équipés de moteur à combustion interne 1 20 pouvant fonctionner à un régime pauvre, qui satisfont aux conditions du nouveau cycle de conduite européen NEFZ et atteignent une émission de HC < 0,07 g/km et une émission de NOx < 0,05 g/km avec des catalyseurs non endommagés thermiquement avec une masse de soufre stockée inférieure à 25 0,2 g/l de volume de catalyseur et une fraction de régime pauvre maîtrisée dans le temps sans phases de coupure de poussée avec une valeur lambda > 1,15 d'au moins 250 secondes, en particulier au moins 350 secondes, une émission de HC inférieure à 0,07 g/km et une émission de 30 NOx inférieure à 0,05 g/km, sont équipés aujourd'hui couramment de catalyseurs qui présentent des teneurs en métal noble supérieures à 100 g/ft3. Si l'on utilise des systèmes de catalyseurs qui présentent au moins un catalyseur accumulateur à NOx et éventuellement un 35 catalyseur à trois voies monté en amont comme précatalyseur et qui fonctionnent avec le procédé conforme à l'invention, la teneur en métal noble peut être abaissée jusqu'à 100 g/ft3, avantageusement jusqu'à 80 g/ft3, de préférence jusqu'à S 60 g/ft3. Même après un vieillissement au four expérimental du catalyseur accumulateur à NOx, qui 5 présente une teneur en métal noble réduite en conséquence, à 850 C pour 4 heures et de l'éventuel précatalyseur à 1100 C pour 4 heures dans une atmosphère présentant 2 % de 02 et 10 % H20, on ne dépasse pas une émission de HC de 0,1 g/km et une émission de NOx de 0,08 g/km, lors d'un 10 test de NEFZ consécutif.

Claims (23)

REVENDICATIONS
1. Procédé pour l'exploitation d'un moteur à combustion interne, qui présente une installation d'échappement (2) avec au moins un catalyseur (6, 7) monté 5 en aval du moteur à combustion interne (1), caractérisé en ce qu'un modèle de température du catalyseur avec une fonction de répartition dynamique prédéfinie d'une température locale (TI(t), T2(t), T3(t)) est prévu dans le volume du catalyseur et le moteur à combustion interne (1) 10 fonctionne en fonction des valeurs de cette fonction de répartition (Tl(t), T2(t), T3(t)).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, selon le modèle de température, le catalyseur (6, 7) et/ou le volume de catalyseur est divisé en un certain 15 nombre de zones partielles prédéfinies auxquelles les températures locales (Tl(t), T2(t), T3(t)) sont attribuées.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne (1) fonctionne en fonction d'une conductibilité thermique et/ou d'une 20 capacité thermique dans le volume de catalyseur.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on détermine un flux massique autorisé de gaz d'échappement et/ou d'un composant d'agents polluants avec lequel le catalyseur (6, 7) est alimenté.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une masse d'un agent polluant stocké dans au moins un catalyseur (6, 7) est prise en compte pour déterminer le flux massique autorisé de gaz d'échappement et/ou d'un composant d'agents polluants.
6. Procédé selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'une conversion probable d'un agent polluant est déterminée en fonction de la fonction de répartition (Tl(t), T2(t), T3(t)) pour la détermination du flux massique de gaz d'échappement et/ou d'un composant d'agents 35 polluants.
7. Procédé selon au moins l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le flux massique autorisé de gaz d'échappement et/ou d'un composant d'agents polluants est déterminé en fonction de l'état de vieillissement du catalyseur (6, 7).
8. Procédé selon au moins l'une des revendications
précédentes, caractérisé en ce que - la fonction de répartition (Tl(t), T2(t), T3(t)) est déterminée pour une pluralité de zones partielles (Tl, T2, 10 T3) du volume de catalyseur; - un régime du moteur à combustion interne (1), qui entraîne une élévation de la température des gaz d'échappement, est mis en oeuvre dès qu'un nombre prédéfini de zones partielles (Tl, T2, T3) reste en-dessous d'un 15 niveau de température autorisé, supérieur à une température critique inférieure (To) ou - un régime du moteur à combustion interne (1), qui entraîne une réduction de la température des gaz d'échappement, est mis en oeuvre dès qu'un nombre prédéfini 20 de zones partielles (Tl, T2, T3) dépasse un niveau de température autorisé, inférieur à une température critique supérieure (To).
9. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fonction de 25 répartition (Tl(t), T2(t), T3(t)) est déterminée au moyen d'un modèle de calcul.
10. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fonction de répartition (Tl(t), T2(t), T3(t)) est déterminée au moyen 30 de capteurs de température.
11. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fonction de répartition (Tl(t), T2(t), T3(t)), est déterminée au moins le long d'une direction d'écoulement principal des gaz d'échappement dans le volume de catalyseur.
12. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fonction de répartition (Tl(t), T2(t), T3(t)) est déterminée perpendiculairement à une direction d'écoulement principal des gaz d'échappement dans le volume de catalyseur.
13. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une vitesse spatiale dans le volume de catalyseur est prise en compte.
14. Procédé selon au moins l'une des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce qu'un régime pauvre du moteur à combustion interne (1) est autorisé lorsque la température d'une partie prédéfinie du volume de catalyseur se trouve dans un intervalle compris entre la température critique inférieure et la température critique supérieure 15 (Tu, To).
15. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moteur à combustion interne (1) peut fonctionner en régime pauvre et un régime pauvre est exigé avec des émissions brutes de NOx réduites 20 du moteur à combustion interne (1) dans les cas o, pour un certain nombre de zones partielles Tl, T2, T3 ou une partie prédéfinie du volume de catalyseur, il existe un dépassement de la température critique supérieure To ou bien un sous-dépassement de la température critique 25 inférieure Tu.
16. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une mesure de chauffage destinée à l'échauffement du catalyseur (6, 7) est arrêtée dès qu'une partie prédéfinie du volume de catalyseur se 30 trouve au-dessus d'une température critique inférieure (Tu).
17. Procédé selon au moins l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors d'un dépassement d'une température critique supérieure (To*) par un nombre 35 prédéfini de zones partielles, en particulier déjà avec une zone partielle, un enrichissement du mélange est enclenché et maintenu jusqu'à la chute de la température au-dessous d'une température critique supérieure (To**) dans un nombre prédéfini de zones partielles (Tl, T2, T3), en particulier dans chaque zone partielle individuelle.
18. Dispositif pour l'exploitation d'un moteur à combustion interne, qui présente une installation d'échappement (2) avec au moins un catalyseur (6, 7) monté en aval du moteur à combustion interne (1) et avec un appareil de commande de moteur (3) pour influencer les 10 paramètres de fonctionnement du moteur à combustion interne, caractérisé en ce que l'appareil de commande de moteur (3) présente des moyens (3a) pour la mise en oeuvre d'un modèle de température du catalyseur avec une fonction de répartition dynamique prédéfinie de la température 15 locale dans le volume de catalyseur (Tl) et pour l'exploitation du moteur à combustion interne en fonction des valeurs de cette fonction de répartition (Tl(t), T2(t), T3(t)).
19. Dispositif selon la revendication 18, caractérisé 20 en ce que des moyens sont prévus pour déterminer un état de vieillissement du catalyseur (6, 7) et/ou une quantité d'agents polluants stockée dans une installation d'échappement (2) et/ou un rendement de conversion d'un catalyseur (6, 7).
20. Dispositif selon la revendication 18 ou 19, caractérisé en ce que la fonction de répartition (Tl(t), T2(t), T3(t)) est déterminée au moyen de capteurs de température.
21. Dispositif selon au moins l'une des revendications 30 18 à 20, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour déterminer un modèle de calcul pour la fonction de répartition (Tl(t), T2(t), T3(t)) du catalyseur (6, 7).
22. Dispositif selon au moins l'une des revendications 18 à 20, caractérisé en ce qu'au moins un catalyseur 35 principal (7) et au moins un précatalyseur (6) monté en amont du catalyseur principal sont prévus dans l'installation d'échappement (2).
23. Dispositif selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'au moins un catalyseur principal (7) est un 5 catalyseur accumulateur à NOx et l'au moins un précatalyseur (6) monté en amont est un catalyseur à trois voies.
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